Detectada uma possível partícula de matéria escura

Experimento mais sensível em sua classe capta indícios do áxion, um parente do fóton que poderia explicar a composição de 27% do universo

O detector inferior do experimento XENON1T.
O detector inferior do experimento XENON1T.xenon1t

Sinais captados em um dos maiores laboratórios subterrâneos do mundo poderiam ser a primeira observação de matéria escura, o misterioso componente que supostamente ocupa 27% de todo o universo.

A matéria escura é uma das maiores incógnitas da física. Sem seu impulso gravitacional, as galáxias se esfarelariam e não poderiam existir. Embora teoricamente seja seis vezes mais abundante que a matéria convencional, da qual é feita o mundo visível, ela nunca foi observada. Ao todo, os humanos só sabem do que é feito 5% de todo o universo ―a matéria convencional. O resto são matéria escura (27%) e energia escura (68%), totalmente desconhecidas.

Os novos dados provêm de um enorme tanque com mais de três toneladas de gás xenônio construído sob 1.400 metros de pura rocha no maciço montanhoso do Grande Sasso, na Itália. Esse isolante é perfeito para amortecer o bombardeio natural de partículas que a Terra recebe e que poderiam causar interferências com os átomos de xenônio, um gás nobre que, resfriado a temperaturas de quase 100 graus Celsius abaixo de zero, é muito adequado para detectar fenômenos físicos pouquíssimo frequentes.

Este experimento, chamado XENON1T, é o mais preciso já feito em sua classe. Seus responsáveis acabam de anunciar que captaram dezenas de sinais que poderiam ser áxions: uma partícula teórica, de massa muito pequena, que poderia ser o componente básico da matéria escura. Supõe-se que a matéria escura seja feita de partículas que interagem de forma muito fraca com as convencionais. Se uma partícula de matéria escura entrasse no tanque e se chocasse com um átomo de xenônio, seria emitido um elétron, produzindo um brilho de luz e liberando uma pequena quantidade de energia que os detectores do experimento captariam.

Há fenômenos mais mundanos, como a radiatividade natural e os raios cósmicos, que podem produzir esse mesmo sinal. Os cientistas calcularam quantos destes eventos sem interesse deveriam ter ocorrido no tempo de observação, entre 2016 e o ano passado. Os resultados mostram que eram esperados 232, mas foram detectados 53 a mais.

Os responsáveis pelo experimento acreditam que esses sinais redundantes podem ser áxions produzidos pelo Sol. Essas partículas solares não seriam propriamente matéria escura, mas demonstrariam pela primeira vez a existência desta partícula.

Logo depois do Big Bang, há 13,7 bilhões de anos, pode ter surgido uma grande quantidade de áxions, que hoje continuariam presentes, explica Igor García Irastorza, pesquisador do laboratório europeu de física de partículas CERN. “Teoricamente, o Big Bang pode ter produzido áxions suficientes para compor toda a matéria escura existente. Trata-se de partículas muito estáveis, por isso há baixíssima probabilidade de que se desintegrem, e isto permitiria detectá-los ainda”, diz. É curioso que a única partícula conhecida mais leve que um áxion da possível matéria escura seja o fóton, a partícula da luz, salienta o pesquisador.

Apesar do interesse, “é preciso encarar estes resultados com muita cautela”, adverte García. “Os sinais são muito fracos e estão muito próximo do limite de detecção do experimento, de modo que é impossível saber o que é ruído de fundo e o que é sinal”, afirma. Por outro lado, o tipo de áxion que teria sido caçado na Itália “violaria várias previsões teóricas sobre astrofísica que são consideradas muito sólidas”, adverte García.

Há uma explicação menos exótica para estes mesmos resultados: que no tanque houvesse alguns poucos átomos de trítio, um isótopo do hidrogênio que ao decair produziria os elétrons observados. Segundo o estudo preliminar da equipe do XENON1T, a explicação mais provável estatisticamente é a dos áxions solares, mas seguida muito de perto pela do trítio. Há uma terceira possibilidade: que o sinal seja de neutrinos com propriedades magnéticas não observadas até agora.

O experimento italiano foi desenhado para detectar outro candidato a matéria escura: os WIMPS, ou partículas maciças de interação fraca, que são milhões de vezes mais pesadas que o áxion. Apesar de serem as favoritas a explicar esta parte do universo escuro, depois de anos de experimentos nem o XENON nem outros testes conseguiram detectá-las de forma conclusiva.

“O segundo grande favorito a ser a matéria escura são os áxions, e há 15 anos muita gente se dedica à sua busca, em parte devido às decepções na busca pelo WIMPS”, explica Javier Redondo, físico teórico da Universidade de Zaragoza. A existência dos áxions foi teorizada na década de 1970 para explicar outro fenômeno de física de partículas, e já nos anos 80 se viu que também podia explicar o problema da matéria escura. “É possível que o que se descobriu seja algum tipo estranho de matéria escura, mas é mais provável que se deva a um processo dentro de seu detector [uma fonte de ruído] que não tinham detectado até agora”, opina.

“Depois de um resultado tão interessante, começa um trabalho de detetive para tentar explicá-lo”, resume Juan José Gómez-Cadenas, físico de partículas que lidera o experimento NEXT construído sob a terra no Laboratório Nacional Canfranc, em Huesca. “A primeira coisa que vai acontecer é que os dois grandes experimentos equiparáveis a este, o LUX nos EUA e o PandaX na China, vão se dedicar a captar este sinal ou demonstrar que é falso. Nós, no NEXT, também podemos procurá-lo a partir do ano que vem”, diz. Mais adiante, se somarão instrumentos novos como o IAXO, do que García Irastorza é porta-voz, que é um telescópio de áxions previsto para começar a funcionar em Hamburgo (Alemanha) em 2023. “Provavelmente graças a todos estes experimentos sejamos capazes de comparar este resultado e entender o que está acontecendo”, conclui Gómez-Cadenas.

Nesta corrida também estará XENON. “O detector está sendo ampliado para abrigar até seis toneladas de gás, o que permitiria detectar muitos outros sinais, se é que continuam aí”, diz Sonja Orrigo, pesquisadora do Instituto de Física Corpuscular de Valência (Espanha), que trabalhou neste experimento há cerca de seis anos. “Os primeiros resultados desta versão melhorada poderiam chegar em dois ou três anos”, explica.

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